專利名稱：一種大功率電力電子器件蒸發(fā)冷卻裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及電力電子器件冷卻的一種冷卻裝置，尤其是涉及大功率電力電子器件的蒸發(fā)冷卻裝置。
背景技術(shù)：
大功率電力電子裝置作為電量處理設(shè)備，其核心的電力電子器件自身的功耗大約占到處理功率的1％以上，功率密度很高。而器件的表面積小，不能有效地散熱，易產(chǎn)生很高的溫升。所有的半導(dǎo)體器件都是熱敏器件，參數(shù)隨結(jié)溫度而變化，溫升過高會(huì)造成損壞，因此保證電力電子器件的可靠冷卻，使它們?cè)谝?guī)定的溫度以下運(yùn)行是電量處理設(shè)備穩(wěn)定可靠的必要條件。
目前功率器件的冷卻方式主要有空氣冷卻、油水冷卻、熱管冷卻技術(shù)?？諝饫鋮s方式簡(jiǎn)易可行，但冷卻效果差、噪音大，只適用于小功率器件。變壓器油盡管絕緣性能好，但導(dǎo)熱性差(約為水的十分之一)，因此并不是理想的冷卻液。水的導(dǎo)熱性好，但絕緣性差，因此只應(yīng)用于低電壓場(chǎng)合，如具有離子交換樹脂的電解設(shè)備上，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一旦發(fā)生泄漏容易造成短路。熱管冷卻效果比較好，但制造工藝要求較高，需要真空密閉，且只適用于單個(gè)器件冷卻。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本實(shí)用新型提供了一種非浸泡方式的蒸發(fā)冷卻裝置。它由用于安裝器件的蒸發(fā)冷卻箱和冷凝器組成，冷凝器置于蒸發(fā)冷卻箱之上方，蒸發(fā)冷卻箱與器件散發(fā)熱量的底座接觸面為平面，蒸發(fā)冷卻箱內(nèi)充冷卻液，冷凝器中有冷凝管，及進(jìn)水口和出水口便于連接用戶水管，冷凝管內(nèi)通水冷卻。冷卻液采用沸點(diǎn)適中(在一個(gè)大氣壓下沸點(diǎn)溫度50℃以下)符合環(huán)保要求的冷卻介質(zhì)。冷卻液的液面高于功率模塊4散發(fā)熱量底座的中線。
大功率電力電子器件即功率模塊用于散發(fā)熱量的底座安裝在蒸發(fā)冷卻箱的外側(cè)板表面，功率模塊工作時(shí)產(chǎn)生的熱量通過模塊底座傳至與模塊接觸的蒸發(fā)冷卻箱，箱內(nèi)的冷卻液吸熱在沸點(diǎn)蒸發(fā)產(chǎn)生相變，由液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，氣態(tài)冷卻液上升至冷凝器，與裝于冷凝器箱頂部的冷凝管進(jìn)行熱交換，氣態(tài)冷卻液把熱量傳給冷卻水后，自身冷凝變?yōu)橐簯B(tài)，由于自身重力的作用向下流動(dòng)，重新回到蒸發(fā)冷卻箱。如此的蒸發(fā)冷卻方式由于相變吸熱量大，所以能對(duì)大功率電力電子器件進(jìn)行高效的冷卻。
根據(jù)傳熱學(xué)的基本原理，為器件設(shè)計(jì)熱阻盡可能低的熱流通路，使器件的熱量能通過它盡快的發(fā)散出去。
設(shè)導(dǎo)熱兩表面分別維持均勻恒定的溫度，平壁的導(dǎo)熱為一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱。壁厚為δ，導(dǎo)熱率為λ，無內(nèi)熱源，兩面溫度分別為tw1、tw2，且tw1＞tw2。
平壁的導(dǎo)熱微分方程為d2t/dx2＝0邊界條件為x＝0，t＝tw1x＝δ，t＝tw2通解t＝C1x+C2代入邊界條件得C2＝tw1C1＝(tw1-tw2)/δ則有dt/dx＝-(tw1-tw2)/δq＝-λdt/dx＝λ(tw1-tw2)/δ通過整個(gè)平面的熱流量φ＝Aq＝Aλ(tw1-tw2)/δA散熱面積因?yàn)楣β势骷墓收下孰S結(jié)溫的升高按指數(shù)函數(shù)增加，因此器件運(yùn)行時(shí)保證其內(nèi)部的結(jié)溫始終保持在允許的結(jié)溫之內(nèi)。根據(jù)公式，應(yīng)盡量提高導(dǎo)熱率λ。減小器件與冷卻介質(zhì)之間的熱阻。
本實(shí)用新型冷卻效率高，為風(fēng)冷的100倍，油冷的10倍，可為裝置小型化創(chuàng)造條件。同時(shí)由于冷卻介質(zhì)本身具有絕緣性，因此提高了器件的可靠性。
冷卻液依靠自身重力來進(jìn)行自循環(huán)，故不需要泵類裝置。蒸發(fā)時(shí)冷卻介質(zhì)溫度均勻，相變吸熱溫度幾乎不變，使各個(gè)功率器件可以安裝在相同溫度的散熱平臺(tái)，因此結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，安裝方便。
本實(shí)用新型冷卻效率高，采用自循環(huán)方式，不需要泵，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，器件安裝和檢修方便，安全可靠。


圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例之一蒸發(fā)冷卻箱與冷凝器一體式的剖面圖；圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例之二蒸發(fā)冷卻箱與冷凝器分體式的剖面圖；圖中1進(jìn)水口，2出水口，3冷凝管，4功率模塊，5冷卻液，6回液管，7連接管，8蒸發(fā)冷卻箱，9冷凝器。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步說明。
實(shí)施例功率模塊額定電流800A，電壓1600V。最大結(jié)溫150℃，管結(jié)到環(huán)境的熱阻0.07℃/W.冷凝水管采用紫銅管，管總長(zhǎng)6.5米，外徑10mm，內(nèi)徑8mm，冷凝水管螺旋盤起放在尺寸長(zhǎng)340mm寬300mm，高300mm的箱蓋內(nèi)。蒸發(fā)冷卻箱體尺寸長(zhǎng)340mm寬300mm，高340mm，冷卻液液面高于模塊用于發(fā)散熱量的底座高度二分之一，介質(zhì)采用氟里昂F113。
功率模塊4安裝在蒸發(fā)冷卻箱8的外側(cè)板表面，用螺絲釘固定。為提高導(dǎo)熱率，蒸發(fā)冷卻箱與模塊接觸的外側(cè)壁面采用了純銅板，外表面加工光滑平整，銅板上用螺絲固定模塊。在功率模塊4與接觸壁之間涂抹導(dǎo)熱硅脂以減小熱阻，蒸發(fā)冷卻箱8內(nèi)為冷卻液5，冷凝器包括進(jìn)水口1，出水口2，冷凝管3。
如圖1所示，本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例為蒸發(fā)冷卻箱與冷凝器一體式，蒸發(fā)冷卻箱8與冷凝器體連為一整體，在其頂部裝有冷凝管3。功率模塊4安裝在蒸發(fā)冷卻箱體8的外側(cè)板表面，功率模塊4的熱量通過蒸發(fā)冷卻箱8的外側(cè)板傳至箱內(nèi)的冷卻液5，使其產(chǎn)生相變吸熱，由液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)蒸發(fā)，把功率模塊4的熱量帶走，冷卻液5的蒸氣上升至箱頂，與頂部的冷凝管3進(jìn)行熱交換，水將熱量帶走，冷凝下來的冷卻液5變成液態(tài)回落到箱體下部。
實(shí)驗(yàn)表明工作電流為250A，壓力為零壓力時(shí)，功率模塊平均壁溫可控制在55℃內(nèi)；工作電流為250A，壓力為負(fù)壓力時(shí)，功率模塊平均壁溫可控制在47.℃內(nèi)；工作電流為500A，壓力為零壓力，電壓5.2v，功率為2600w時(shí)，功率模塊平均壁溫可控制在65℃內(nèi)；工作電流為500A，壓力為負(fù)壓力，電壓5.2v，功率為2600w時(shí)，功率模塊平均壁溫可控制在59℃內(nèi)。壓力為零壓力時(shí)，工作電流為250A，銅板外接觸壁溫為54℃，加到500A時(shí)，銅板外接觸壁溫為57℃。
采用非浸泡式蒸發(fā)冷卻方式冷卻大功率器件可以達(dá)到理想的冷卻效果。而且一個(gè)箱體可以冷卻多個(gè)功率器件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單冷卻效率高。
如圖2所示，本實(shí)用新型的另一個(gè)實(shí)施例是蒸發(fā)冷卻箱與冷凝器分體式，蒸發(fā)冷卻箱8與冷凝器9分體，冷凝器9置于蒸發(fā)冷卻箱8之上方，兩者通過連接管7連通。功率模塊4安裝在蒸發(fā)冷卻箱8的外側(cè)板表面，功率模塊4的熱量通過蒸發(fā)冷卻箱的外側(cè)板傳至箱內(nèi)冷卻液5，冷卻液5吸熱，產(chǎn)生相變，蒸發(fā)由液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，氣態(tài)的冷卻液通過連接管7進(jìn)入冷凝器9中，與冷凝管3進(jìn)行熱交換，冷凝下來的冷卻液5通過回液管6流回到蒸發(fā)冷卻箱8中。這種方式的冷凝器放置比較靈活，一旦冷凝水管3漏水，只需要打開冷凝器9即可，無需打開蒸發(fā)冷卻箱8。
這兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是功率模塊4通過螺釘和導(dǎo)熱膠固定在蒸發(fā)冷卻箱外側(cè)表面上，安裝和檢修方便，更換器件時(shí)不需要打開蒸發(fā)冷卻箱。由于冷卻液的沸點(diǎn)低于50攝氏度，從而使得模塊的最高溫度控制在模塊結(jié)溫允許的范圍。
權(quán)利要求1.一種大功率電力電子器件的蒸發(fā)冷卻裝置，包括蒸發(fā)冷卻箱[8]和冷凝器[9]，其特征在于冷凝器[9]置于蒸發(fā)冷卻箱[8]之上方，冷凝器[9]中有冷凝管[3]、進(jìn)水口[1]和出水口[2]；蒸發(fā)冷卻箱[8]與冷凝器[9]連為一整體或與冷凝器[9]分體，兩者通過連接管[7]連通；蒸發(fā)冷卻箱[8]中與器件接觸的壁面為平面，內(nèi)充有冷卻液[5]，功率模塊[4]固定在蒸發(fā)冷卻箱[8]的外側(cè)板表面。
2.按照權(quán)利要求1所說的大功率電力電子器件的蒸發(fā)冷卻裝置，其特征在于蒸發(fā)冷卻箱[8]的側(cè)板為導(dǎo)熱金屬板，外表面光滑平整，在功率模塊[4與接觸壁之間涂抹導(dǎo)熱硅脂。
3.按照權(quán)利要求1或2所說的大功率電力電子器件的蒸發(fā)冷卻裝置，其特征在于蒸發(fā)冷卻箱[8]內(nèi)的冷卻液[5]的液面高于功率模塊[4]底座之中線。
專利摘要一種大功率電力電子器件的蒸發(fā)冷卻裝置。它由蒸發(fā)冷卻箱[8]和冷凝器[9]組成。大功率電力電子器件即功率模塊[4]安裝在蒸發(fā)冷卻箱[8]的外側(cè)板表面，功率模塊[4]工作時(shí)產(chǎn)生的熱量傳至與模塊接觸的蒸發(fā)冷卻箱[8]，箱內(nèi)冷卻液[5]吸熱，在沸點(diǎn)蒸發(fā)產(chǎn)生相變，由液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，氣態(tài)冷卻液上升至冷凝器[9]，與裝于箱體頂部的冷凝管[3]進(jìn)行熱交換，氣態(tài)冷卻液把熱量傳給冷卻水后，自身冷凝變?yōu)橐簯B(tài)，由于自身重力的作用向下流動(dòng)，重新回到蒸發(fā)冷卻箱[8]。本實(shí)用新型采用自循環(huán)方式，不需要泵，體積小，冷卻液具有絕緣性，運(yùn)行安全可靠，冷卻液蒸發(fā)冷卻溫度均勻，冷卻效率高，適于高熱密度的大功率器件的冷卻。
文檔編號(hào)H05K7/20GK2673048SQ20032012949
公開日2005年1月19日 申請(qǐng)日期2003年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月22日
發(fā)明者國(guó)建鴻, 顧國(guó)彪, 錢光岳, 李振國(guó), 傅德平, 田新東, 李靜 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院電工研究所